CN106707328B - 一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种基于单质子径迹成像的中子能谱测量装置及方法。包括中子转换体、质子径迹发光室、成像系统和电源；中子转换体包括中子源、中子‑质子转换靶和光阑；质子径迹发光室包括腔室，设置在腔室外一端的质子入射密封窗口、设置在腔室内的圆筒形多丝结构、与腔室内部连通的充气系统和抽真空系统、设置在腔室外侧的光学窗口、以及与圆筒形多丝结构连接的电压源；圆筒形多丝结构由位于圆柱轴心的一根阳极丝和分布在阳极丝圆周的多根阴极丝组成；中子源出射中子束经过中子‑质子转换靶的转换变向后，穿过光阑和质子入射密封窗口进入腔室，成像系统由阳极丝所收集的电荷信号控制成像，电源与圆筒形多丝结构连接。

Description

一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及辐射探测中的中子能谱探测方法和技术，具体涉及一种基于单质子径迹成像的中子能谱测量装置及方法。

背景技术

中子能谱的测量在聚变等离子体诊断中占有极其重要的地位。中子作为核聚变反应最直接的产物，携带了丰富的等离子体聚变过程和离子状态的信息，从中子能谱能够获得聚变等离子温度、体密度以及聚变功率等关键参数，是检验核聚变装置是否达到设计要求最直接和最有效的方法，同时聚变等离子体诊断对中子能谱测量精度有很高的要求。目前，在聚变装置上最常用的中子能谱测量方法是中子飞行时间法和反冲质子磁分析法，但要求中子的产额在10¹¹-10¹⁹才能工作。其他方法也要求中子产额至少10¹⁰。但在聚变点火试验失败等情况下，聚变产生的中子产额较低，为了精确诊断这些情况下的聚变等离子温度等参数，用以评估聚变质量，亟待发展高灵敏高分辨率的中子能谱测量方法。

文献“用于脉冲中子能谱测量的质子束光学成像方法研究[D].北京:清华大学工程物理系,2013”公开了一种用于脉冲中子能谱测量的质子束光学成像方法。利用质子束在气体闪烁体中径迹图像反演出质子能谱分布，然后根据反冲质子法获取中子能谱，但由质子束径迹图像反演其能谱是个很困难的反问题，目前只是理论上行得通，而在实际实验中还没得到有效解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于单质子径迹成像的高灵敏高分辨率中子能谱测量装置及方法，用以解决现有聚变中子能谱测量方法灵敏度低以及实际实验中不能由质子束径迹反演中子能谱的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特殊之处在于：包括中子转换体、质子径迹发光室、成像系统和电源；

所述中子转换体包括中子源、中子-质子转换靶和光阑；

所述质子径迹发光室包括腔室，设置在腔室外一端的质子入射密封窗口、设置在腔室内的圆筒形多丝结构、与腔室内部连通的充气系统和抽真空系统、设置在腔室外侧的光学窗口、以及与所述圆筒形多丝结构连接的电压源；所述圆筒形多丝结构由位于圆柱轴心的一根阳极丝和分布在阳极丝圆周的多根阴极丝组成；

所述中子源出射中子束经过中子-质子转换靶的转换变向后，穿过光阑和质子入射密封窗口进入腔室，所述成像系统由阳极丝所收集的电荷信号控制成像，电源与圆筒形多丝结构连接。

进一步的，所述成像系统包括相机、相机控制系统、光学中继系统及在线分析系统；

所述光学中继系统对准腔室外侧的光学窗口，在线分析系统与相机连接，相机控制系统一端与相机连接，另一端与圆筒形多丝结构的阳极丝连接。

进一步的，所述相机控制系统与圆筒形多丝结构之间连接有线性放大器。

进一步的，所述中子源与中子-质子转换靶之间设置有中子准直器，所述中子准直器为带准直孔的铁块或铅块。

进一步的，所述中子-质子转换靶为聚乙烯薄膜。

进一步的，所述质子入射密封窗口是由厚度为5-10μm的钛、金或钼金属膜组成；所述圆筒形多丝结构由中间一根阳极丝和周围10-20根均匀分布的阴极丝组成，阳极丝直径15-25μm，阳极丝和阴极丝距离10-30mm。

进一步的，所述充气系统所充工作气体为四氟化碳气体或四氟化碳气体与稀有气体的混合气体。

本发明还提供一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)获取单个质子的径迹图像：

1.1)中子束经限束和准直后，与中子-质子转换靶作用产生反冲质子；

1.2)与中子束呈反冲角θ的反冲质子平行于阳极丝进入充满工作气体的腔室；

1.3)给阳极丝提供高压，直至阳极丝附近产生光子和电子；

1.4)腔室内的阳极丝收集所产生电荷信号，经放大后触发相机自动拍照，获得单个质子的径迹荧光图像；

2)重复步骤1)获取多个单质子径迹图像；

3)对获取的图像进行处理和分析：

读取每幅图像中质子径迹末端位置的像素值，根据像素值与实际位置的线性关系，得到质子射程；根据步骤2)中获取的多个单质子径迹图像，统计出质子射程R的分布；

4)获得质子能谱分布：

通过SRIM软件计算质子在工作气体中的射程R与初始能量E_p的对应关系，并由所述步骤3)获得的质子射程分布反推质子能谱分布；

5)计算中子能谱：

根据反冲质子与中子能量之间的关系式：E_n＝E_p/cos²θ，获得中子能谱；

其中：

E_n为中子能量，

E_p为步骤4)质子能谱中的质子能量，

θ为反冲角，反冲角为所述步骤1)中中子准直器2和光阑5之间的角度。

进一步的，所述反冲角θ为60°。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用圆筒形多丝结构提供的电场提高了系统的灵敏度，能够获得单个质子的径迹图像，从而能够根据反冲质子法诊断中子产额较低的聚变过程。

2、本发明装置和方法很直观且能够实时给出测量中子的能谱。通过质子径迹图像很直观地将结果表现出来，在线分析系统中预先编写好的软件可以将获取得到的质子图像进行在线处理，并通过简单的质子射程-质子能量对应关系和反冲质子能量-中子能量对应关系实时解出中子能谱。

3、本发明装置和方法能够获得高分辨率的中子能谱。中子的能谱分辨率取决于质子射程的分布，关键在于径迹末端位置的空间分辨率和质子本身的射程歧离。由于质子在常见闪烁性气体中射程一般在几十厘米量级，成像到相机上的像有几厘米，而相机每个像素大小在微米量级，相对来说位置分辨率高达千分之几；另外气体的阻止本领很小，所以质子在气体中的射程歧离较小，而且与测量系统无关。因此该发明得到的中子能谱分辨率高。

4、该发明装置和方法获取的中子能谱范围宽，适合几MeV到几十MeV的中子。中子能谱是通过获取反冲质子的射程来测量，而质子射程可通过改变气体种类和压强来灵活变动，若反冲质子能量大，可增大气压或换高密度的气体来减小射程，反之若质子能量小，可减小气压或换低密度的气体来加长射程。这样将射程调整到合适长度就能测量不同能量的中子。

5、本发明基于单质子径迹成像的方式只决定于探测介质和粒子本身，而与辐射场的脉冲状态无关，因此既可以用于脉冲中子能谱测量，又适用于稳态中子能谱测量。

附图说明

图1是实施例所提供的一种基于单质子径迹成像的高灵敏高分辨率中子能谱测量装置和方法示意图。

图2是基于实施例获取到的单质子在1atm CF4气体中的径迹图像。

图3是基于实施例获取到的单质子在1atm CF4气体中的射程分布。

图4是质子在1atm CF4气体中的射程-能量关系曲线。

图5是由质子在气体中的射程分布得到的质子在气体中的初始能量的分布。

图中，1-中子源，2-中子准直器，3-中子-质子转换靶，4-反冲质子，5-光阑，6-质子入射密封窗口，7-不锈钢腔室，8-圆筒形多丝结构，9-工作气体，10-充气系统，11-抽真空系统，12-光学窗口，13-电压源，14-光学中继系统，15-IICCD相机，16-线性放大器，17-相机外部触发，18-相机控制软件，19-在线分析系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

1.基于单质子径迹成像的中子能谱测量装置和方法的原理是反冲质子法、单质子径迹发光法和射程-能量法的结合。

反冲质子法

反冲质子与中子能量之间有关系：

En＝Ep/cos2θ. (1)

其中En为中子能量，Ep为质子能量，θ为反冲角。只要测量出反冲角，并获得反冲质子的能谱，中子的能谱就能解出。且由公式(1)可得ΔEn/En＝ΔEp/Ep,即中子的能量分辨率与反冲质子的能量分辨率相等。

2)单质子径迹发光法

具有一定能量的质子进入不锈钢腔室后使径迹位置的气体分子电离产生初始电子，圆筒形多丝结构加合适电压时，产生的电场指向中心的阳极丝，并在阳极丝附近迅速增强，达到气体雪崩的阈值(106V/m)。径迹位置产生的电子在电场作用下平行地漂移到强电场区，激发闪烁性气体发生雪崩发光，产生的荧光数目足够多，可以被成像系统捕获形成较清晰的图像，由于这些荧光能够指示质子的径迹，成像系统捕获到的图像就是单质子的径迹图像。

3)射程-能量法

对于给定的气体，入射质子的能量与质子在该气体中的射程呈一一对应关系，且该对应关系可以通过计算或模拟得到，因此如果获得质子射程，就能根据对应关系反推出能量。

2.一种基于单质子径迹成像的高灵敏高分辨率中子能谱测量装置的具体结构和制作

参照图1，包括中子转换体、质子径迹发光室及成像系统三部分。其中中子转换体包括中子源1、中子准直器2、中子-质子转换靶3、反冲质子4、及光阑5；质子径迹发光室包括质子入射密封窗口6、不锈钢腔室7、圆筒形多丝结构8、工作气体9、充气系统10、抽真空系统11、光学窗口12、以及电压源13；成像系统包括光学中继系统14、IICCD相机15、相机外部触发17、相机控制软件18及在线分析系统19。

中子准直器2用于限束和屏蔽，置于中子源附近(参照图1)，由带准直孔的铁块或铅块制成；准直孔的大小根据探测效率和能量分辨要求来定，准直孔越大，探测效率越高，但能量分辨率可能变小；准直器整体大小和形状比较灵活，可以根据屏蔽效果和实际空间来制作。中子-质子转换靶3用于将中子转换成反冲质子，可以采用含氢量较高的聚乙烯薄膜材料，置于中子准直器2的准直孔出口(参照图1)，聚乙烯膜越厚，中子探测效率越高，但能量展宽越大，所以具体厚度根据实际要求来折中选择。光阑5用于对反冲质子4限束，其轴线与中子准直器2的准直孔轴线呈一定角度(参照图1)，比如60°，避免中子直射。

质子入射密封窗口6可由厚度为5-10μm的钛、金或钼金属薄膜通过法兰固定在不锈钢腔室7侧面而制成，直径5-10mm，在满足对不锈钢腔室7密封要求的前提下，材料要尽量薄，以减小质子在材料中的能量损失和展宽，具体实施选用了厚度5μm、直径5mm的钛窗；测量时，质子入射密封窗口6的轴线与光阑5的轴线与重合(参照图1)。光学窗口12选用透光率为95％左右的石英玻璃通过法兰固定在不锈钢腔室7正前面而制成，厚度1cm，直径可根据实际情况来定，制作为20cm左右。

圆筒形多丝结构8由中间一根阳极丝和周围10-20根均匀分布的阴极丝组成，长度根据具体情况来定，如果质子射程较长可以制作地较长，具体实施中阳极丝直径选20μm的镀金钨丝,阴极丝选直径为100μm的铜丝或铝丝,阳极丝和阴极丝距离15mm，长度35cm；两端由耐高压且放气少的固体材料固定，具体选用高压F4B。电压源13选用能提供5000V的直流高压电源PS350，给圆筒形多丝结构8供电压，阳极丝接高压，阴极丝接地。

工作气体9选用荧光产额较高、光谱范围宽的四氟化碳气体，且对质子的阻止本领较大，10MeV质子的射程在几十厘米量级，如果需要将射程调节到更长，可混合一定比例的稀有气体；充气系统10包括装有工作气体的气瓶及其配套的减压阀门、连接气管、气体比例调节器、以及在不锈钢腔室7上装的充气阀门等；抽真空系统11包括真空泵(机械泵和分子泵的组合)及其配套阀门、连接气管、以及在不锈钢腔室7上装的真空阀门等。

光学中继系统14选用了小焦距、大景深的Canon光学中继系统，焦距为50mm，孔径比为1.2，位于光学窗口的正前方；IICCD相机15为带有相增强器(image-intensified)的高增益高灵敏高量子效率的CCD相机，具体选用了Andor-iStar-734，1024×1024个像素，每个像素有效面积为13μm，使用时IICCD相机15与光学中继系统耦合14。

相机控制系统包括线性放大器、外部触发及相机控制软件，线性放大器用于放大脉冲电荷信号，进一步对相机进行外部触发，相机控制软件在预先设置好拍照模式、增益、曝光时间及温度后，一旦受到外部触发会自动拍照；在线分析系统为预先编写好的数据获取、数据处理并能够根据径迹图像自动解出入射能谱的程序，相机每次拍照后形成的单质子径迹图像被程序读取并统计处射程分布，再由射程-能量关系直接解出能谱后输出结果。

3.基于2所述装置的中子能谱测量方法的具体步骤

1)基于2所述装置获取单质子径迹图像

参照图1，将圆筒形多丝结构8紧贴光学窗口12放置，且阳极丝平行于石英玻璃平面；给相机系统对焦，使焦平面位于阳极丝附近，对焦后，固定成像系统，用钢尺测量得到物平面76×76mm，相机视场最左边与质子入射密封窗口6的距离130mm，这样，若单质子径迹末端位置所在像素N，则质子射程

R＝130(mm)+N×76(mm)/1024. (2)

通过抽真空系统11对不锈钢腔室7抽真空，直至气压在0.01pa左右，然后通过充气系统10给不锈钢腔室7充入一定气压的工作气体9，比如1atm CF4，密封不锈钢腔室7；电压源13给圆筒形多丝结构8的阳极丝提供高压2000V左右，在阳极丝和阴极丝之间的区域产生电场，阳极丝附近的电场最大(22×106V/m)；中子源1通过中子准直器2限束和准直后与中子-质子转换靶3作用产生反冲质子4，反冲质子4又通过光阑5限束和准直，与中子呈60°且平行于阳极丝进入密封的不锈钢腔室7，质子在径迹位置使气体电离产生初始电子，电子在电场作用下激发气体分子雪崩发光，在阳极丝附近产生大量的光子和电子；电子被阳极丝收集产生电荷信号，通过线性放大器16放大，然后通过外部触发17触发相机控制软件18；相机受触发后自动拍照，获得单个质子的径迹荧光图像。参照图2，基于该具体实施方式获得的典型的单质子经过5μm厚的钛窗后在1atm CF4中形成的径迹图像，可以看到该发明得到的单质子径迹图像很清晰，特别是径迹末端位置N很容易辨别和读取。

2)对所述步骤1)获得的单质子径迹图像进行处理和分析，读取得到图像中质子径迹末端位置的像素值为N＝305，则根据公式(2)可得到质子射程R＝152.6mm。

3)按步骤1)获取500个左右相同条件的单质子径迹图像，并根据步骤2)统计出质子射程R的分布，参照图3。

4)获取反冲质子的能量分布

通过SRIM软件计算出质子在1atm CF4中的射程R与能量Ep的对应关系(参照图4)，并结合步骤3)获得的质子射程R分布(参照图3)反推出质子在气体中的初始能量(经过钛窗后)的分布，参照图5，符合单高斯分布，且中心能量为5.499MeV，半高宽为137KeV。

最后再通过SRIM软件反推质子在穿钛窗前的能量，即反冲质子的中心能量，得出结果为5.604MeV；由于质子在进入气体前的初始能量已经在钛窗等前端的介质中发生展宽，所以由质子在气体中的射程分布得到的能量分布半高宽就是整个测量系统的质子能量分布半高宽，即得到的反冲质子的能量分布半高宽也为137KeV。

这样，由该发明测得反冲质子的中心能量为Ep＝5.604MeV,能量分布半高宽FWHM(Ep)＝137KeV,则对反冲质子的能量分辨率

n1＝FWHM/Ep＝2.4％

5)由反冲质子法计算中子能谱。

反冲质子与中子能量之间有关系(1)En＝Ep/cos2θ，其中已经由步骤4)获得质子能量Ep＝5.604MeV，且由步骤1)获得反冲角θ＝60°，则获得中子能量

En＝Ep/cos2θ＝22.416MeV。

中子能谱半高宽FWHM(En)＝FWHM(Ep)/cos2θ＝548KeV，得出中子能量分辨

n2＝En/FWHM(En)

即基于2所述高灵敏测量装置，可以由上述5个具体测量方法步骤得到高分辨率的中子能谱。

Claims (9)

1.一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：包括中子转换体、质子径迹发光室、成像系统和电源；

所述中子转换体包括中子源、中子-质子转换靶和光阑；

所述质子径迹发光室包括腔室，设置在腔室外一端的质子入射密封窗口、设置在腔室内的圆筒形多丝结构、与腔室内部连通的充气系统和抽真空系统、设置在腔室外侧的光学窗口、以及与所述圆筒形多丝结构连接的电压源；所述圆筒形多丝结构由位于圆柱轴心的一根阳极丝和分布在阳极丝圆周的多根阴极丝组成；

所述中子源出射中子束经过中子-质子转换靶的转换变向后，穿过光阑和质子入射密封窗口进入腔室，所述成像系统由阳极丝所收集的电荷信号控制成像，电源与圆筒形多丝结构连接。

2.根据权利要求1所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：所述成像系统包括相机、相机控制系统、光学中继系统及在线分析系统；

所述光学中继系统对准腔室外侧的光学窗口，在线分析系统与相机连接，相机控制系统一端与相机连接，另一端与圆筒形多丝结构的阳极丝连接。

3.根据权利要求2所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：所述相机控制系统与圆筒形多丝结构之间连接有线性放大器。

4.根据权利要求1所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：所述中子源与中子-质子转换靶之间设置有中子准直器，所述中子准直器为带准直孔的铁块或铅块。

5.根据权利要求4所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：所述中子-质子转换靶为聚乙烯薄膜。

6.根据权利要求1所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：所述质子入射密封窗口是由厚度为5-10μm的钛、金或钼金属膜组成；所述圆筒形多丝结构由中间一根阳极丝和周围10-20根均匀分布的阴极丝组成，阳极丝直径15-25μm，阳极丝和阴极丝距离10-30mm。

7.根据权利要求6所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：所述充气系统所充工作气体为四氟化碳气体或四氟化碳气体与稀有气体的混合气体。

8.一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量方法，基于权利要求1-7任一所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：包括以下步骤：

1)获取单个质子的径迹图像：

1.1)中子束经限束和准直后，与中子-质子转换靶作用产生反冲质子；

1.2)与中子束呈反冲角θ的反冲质子平行于阳极丝进入充满工作气体的腔室；

1.3)给阳极丝提供高压，直至阳极丝附近产生光子和电子；

1.4)腔室内的阳极丝收集所产生电荷信号，经放大后触发相机自动拍照，获得单个质子的径迹荧光图像；

2)重复步骤1)获取多个单质子径迹图像；

3)对获取的图像进行处理和分析：

读取每幅图像中质子径迹末端位置的像素值，根据像素值与实际位置的线性关系，得到质子射程；根据步骤2)中获取的多个单质子径迹图像，统计出质子射程R的分布；

4)获得质子能谱分布：

通过SRIM软件计算质子在工作气体中的射程R与初始能量E_p的对应关系，并由所述步骤3)获得的质子射程分布反推质子能谱分布；

5)计算中子能谱：

根据反冲质子与中子能量之间的关系式：E_n＝E_p/cos²θ，获得中子能谱；

其中：

E_n为中子能量，

E_p为步骤4)质子能谱中的质子能量，

θ为反冲角，反冲角为所述步骤1)中中子准直器2和光阑5之间的角度。

9.根据权利要求8所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量方法，其特征在于：所述反冲角θ为60°。